液压工作介质及其力学基础.pptx
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1、液压油液的体积将随压力的增高而减小的性液压油液的体积将随压力的增高而减小的性质。质。即即:单位压力变化下的体积相对变化量。单位压力变化下的体积相对变化量。体积变化体积变化初始体积初始体积压力变化压力变化(2 2)可压缩性用体积压缩系数k k表示:第1页/共66页体积弹性模量K(体积压缩系数的倒数)V0一定,在同样p下,K 越大,V 越小。说明K 越大,液体的抗压能力越强。矿物油K=(1.42.0)109N/m2钢K=2.061011N/m2K钢=100150K油在静态下工作时,不考虑液体的可压缩性。第2页/共66页 液体在外力作用下流动(或有流动趋势)时,液体在外力作用下流动(或有流动趋势)时
2、,分子间的内聚力会产生一种阻碍其相对运动的内摩分子间的内聚力会产生一种阻碍其相对运动的内摩檫力,这种现象叫做液体的粘性。檫力,这种现象叫做液体的粘性。静止液体不呈现粘性。静止液体不呈现粘性。(3 3)粘性 粘性的定义第3页/共66页粘性示意图粘性示意图下板固定下板固定上板以上板以u u0 0运动运动 A A点:点:u=0 u=0 B B点:点:u=uu=u0 0 两板之间液流速度两板之间液流速度呈线性规律分布呈线性规律分布B BA A式中:粘性系数(粘度)A 液层接触面积 du/dy速度梯度两液层间的内摩擦力:-液体的粘度第4页/共66页 粘性的表示方法b.b.运动粘度运动粘度 单位:单位:m
3、 m2 2/s s单位:单位:N s/m2 或 Pa.SPa.Sa.a.动力粘度动力粘度(绝对粘度绝对粘度)它直接表示液体的粘性即内摩擦力的大小。如:旧牌号20号机械油,是在温度为50时,其运动粘度的平均值为202/s第5页/共66页c.c.相对粘度相对粘度式中:t1 油流出的时间 t220OC蒸馏水流出时间恩氏粘度与运动粘度的换算关系恩氏粘度与运动粘度的换算关系200ml=2.8mm恩氏粘度计恩氏粘度计 通常以20、50、100OC作为标准测定温度,记为:恩(中、德、俄)赛(美)雷(英)第6页/共66页 粘度与压力的关系 p 应用时忽略影响应用时忽略影响 粘度与温度的关系粘度与温度的关系T影
4、响:大,阻力大,能耗 小,油变稀,泄漏 限制油温:T,加冷却器 T,加热器第7页/共66页(4)其他性质稳定性(热、氧化、水解、剪切)相容性(金属、密封、涂料)通过添加剂控制抗泡沫性防锈性第8页/共66页2.1.2 2.1.2 对工作介质的要求对工作介质的要求合适的粘度,粘温特性好合适的粘度,粘温特性好润滑性能好润滑性能好杂质少杂质少相容性好相容性好稳定性好稳定性好抗泡性好、防锈性好抗泡性好、防锈性好凝点低凝点低,闪点、燃点高闪点、燃点高无公害、成本低无公害、成本低第9页/共66页液压油的种类石油型石油型难燃型难燃型机械油机械油汽轮机油汽轮机油合成型液压油合成型液压油水水-乙二醇液乙二醇液磷酸
5、酯液磷酸酯液水包油水包油油包水油包水乳化液乳化液合成型合成型抗磨液压油抗磨液压油液压导轨油液压导轨油2.1.3 2.1.3 工作介质的种类第10页/共66页2.1.4 2.1.4 液压油液的液压油液的选用选用优先考虑粘性优先考虑粘性按工作压力按工作压力 p p 高,选高,选大;大;p p 低,选低,选小小按环境温度按环境温度 T T 高,选高,选大;大;T T 低,选低,选小小按运动速度按运动速度 v v 高,选高,选小;小;v v 低,选低,选大大其他其他 环境环境 (污染、抗燃)(污染、抗燃)经济经济 (价格、使用寿命)(价格、使用寿命)特殊要求(精密机床、野外工作的工程机械)特殊要求(精
6、密机床、野外工作的工程机械)第11页/共66页2.2 2.2 液体静力学2.2.1 2.2.1 液体静压力及其特性(1)液体静压力:液体静压力:静止液体静止液体在单位面积上所受的法向力。在单位面积上所受的法向力。(2)静压力的两个特性静压力的两个特性1)液液体体静静压压力力垂垂直直于于其其承承压压面面,方方向向和和该该面面的的内内法法线线方方向一致向一致2)静止液体内任一点所受的压力在各个方向都相等)静止液体内任一点所受的压力在各个方向都相等静止液体:指液体内部质点之间没有相对运动,至于液体整体完全可以象刚体一样做各种运动。研究内容:研究液体处于静止状态时的力学性质和平衡规律。单位:Pa(Nm
7、2)工程上常用:MPa(兆帕)换算关系:1MPa106Pa1MPa105bar第12页/共66页2.2.2 2.2.2 静压力基本方程重力作用下的静止液体,其压力分布具有如下特征:重力作用下的静止液体,其压力分布具有如下特征:(1 1)静止液体内任一点处的压力由两部分组成:一部分是液面上的压力,另一部分是该点以上液体自重所形成的压力。(2 2)静止液体内的压力随液体深度按线性规律递增。(3 3)液面深度相同处各点的压力均相等,压力相等的所有点组成的面叫做等压面。:该点液面深度:该点液面深度液体静压力基本方程为液体静压力基本方程为:液面上的压力:液面上的压力hGPP0AdA第13页/共66页2.
8、2.3 2.2.3 压力的表示方法绝对压力:当压力以绝对真空为基准度量时,称为绝对压力。绝对压力:当压力以绝对真空为基准度量时,称为绝对压力。相对压力:超过大气压力的那部分压力称为相对压力或表压力。相对压力:超过大气压力的那部分压力称为相对压力或表压力。真空度:当绝对压力低于大气压时,将绝对压力不足于大气压真空度:当绝对压力低于大气压时,将绝对压力不足于大气压力的那部分压力值称为真空度。力的那部分压力值称为真空度。(1)压力的表示方法压力的表示方法第14页/共66页 压力的单位除法定计量单位压力的单位除法定计量单位PaPa外,还有以前沿用的一些单位,如外,还有以前沿用的一些单位,如barbar
9、,工程大气压,工程大气压atat(即(即kgf/cmkgf/cm2 2)、标准大气压()、标准大气压(atmatm)、水柱高)、水柱高(mHmH2 2O O)或汞柱高()或汞柱高(mmHgmmHg)等。)等。PaPabarbarKgf/cmKgf/cm2 2atatatmatmmHmH2 2O OmmHgmmHg1101105 51 11.019721.019721.019721.019720.9869230.9869231.01972101.01972104 47.50062107.50062102 2 由于液压传动的用途不同,系统所需要的压力也不相同,为了便于由于液压传动的用途不同,系统所
10、需要的压力也不相同,为了便于液压元件的设计、生产和使用,将压力分为几个等级。液压元件的设计、生产和使用,将压力分为几个等级。压力等级压力等级低压低压中压中压中高压中高压高压高压超高压超高压压力压力(MpaMpa)2.52.52.52.58 8881616161632323232表2-5各种压力单位的换算关系表2-6压力分级(2)压力的单位和等级压力的单位和等级第15页/共66页例2-12-1 图2-5所示的容器内充满 kg/m3的液压油液,活塞上的作用力F=1000N,活塞面积A=110-3m2,忽略活塞的重量。试计算活塞下方深度为h=0.5m处的静压力p。第16页/共66页解:解:活塞与油液
11、接触面上的压力为:则深度为h=0.5m处的液体压力为:注意注意:分析液压系统时分析液压系统时,重力所产生上的压力可忽略重力所产生上的压力可忽略据第17页/共66页2.2.4 2.2.4 液体静压力的传递液液压压系系统统中中静静压压力力的的传传递递服服从从帕帕斯斯卡卡原原理理,即即:密密闭闭容容器器内内静静止止液液体的压力可以等值地向液体中各点传递。体的压力可以等值地向液体中各点传递。根据帕斯卡原理和静压力的特性,液压传动不仅可以进行力的传递,而且还能将力放大和改变力的方向。上式表明,只要上式表明,只要A1/A2足够大,用很小的力足够大,用很小的力F2就可产生很大的力就可产生很大的力F1。液压千
12、斤顶和水压机就是按此原理制成的。液压千斤顶和水压机就是按此原理制成的。根据帕斯卡原理有p1=p2。因此有:第18页/共66页2.2.液压系统压力的形成p=F/AFpFpF=0p=0结论:液压系统的工作压力取决于负载,并且随着负载的变化而变化。FA可知可知:液压系统中油液的压力是在前阻后推的情况下产生的;液压系统中油液的压力是在前阻后推的情况下产生的;压力的大小取决于负载压力的大小取决于负载,并随负载变化而变化;,并随负载变化而变化;当某处有几个当某处有几个负载并联负载并联时,则压力取决于克服负载的各个时,则压力取决于克服负载的各个压力值中的压力值中的最小值最小值。第19页/共66页2.2.5
13、2.2.5 静压力对固体壁面的作用力当当静静止止液液体体和和固固体体壁壁面面接接触触时时,固固体体壁壁面面上上各各点点在在某某一一方方向向上上受受到到的的液液体体静静压压作作用用力力的的总总和和,即即为为液液体体在在该该方方向向上上作作用用于固体壁面上的力于固体壁面上的力当固体壁面为一平面时,平面上各点的静压力大小相等,其当固体壁面为一平面时,平面上各点的静压力大小相等,其作用方向于该平面垂直。即作用方向于该平面垂直。即当固体壁面为一曲面时,液体压力在该曲面当固体壁面为一曲面时,液体压力在该曲面方向上的分力为方向上的分力为第20页/共66页2.3 2.3 液体动力学2.3.1 2.3.1 基本
14、概念(1)实际液体和理想液体实际液体和理想液体理想液体:理想液体:通常把假设的既无粘性又不可压缩的液体称为理想液体通常把假设的既无粘性又不可压缩的液体称为理想液体实际液体:实际液体:具有粘性和压缩性的液体具有粘性和压缩性的液体(2)恒定流动和非恒定流动恒定流动和非恒定流动恒定流动:恒定流动:液体流动时,流动空间中每一点上的液体流动时,流动空间中每一点上的压力、速度和密度都都不随时间而变化,这样的流动称为恒定流动不随时间而变化,这样的流动称为恒定流动非恒定流动:非恒定流动:液体流动时,流动空间中每一点上的液体流动时,流动空间中每一点上的压力、速度和密度中只要有一个是时间的函数,则这样的流动称为非
15、恒定流动中只要有一个是时间的函数,则这样的流动称为非恒定流动动画演示动画演示(3)一维流动:当液体整个作线形流动时,称为一维流动。一维流动:当液体整个作线形流动时,称为一维流动。第21页/共66页4 4、流线、流束和通流截面 流线:某一瞬时,表示液流中各点运动状态的一条条光滑曲线。在此瞬时,流线上各质点速度方向与该线相切。注意:由于流动液体中任一质点在其一瞬时只能有一个速度,所以流线之间不可能相交,也不可能突然转折。流束:通过某截面上所有各点作出的流线集合构成流束。通流截面:流束中与所有流线正交的截面称为通流截面。截面上每点处的流动速度都垂直于这个面。第22页/共66页2.3.2 2.3.2
16、连续性方程质量守恒定律在流体力学中的应用 若忽略液体可压缩性:按守质量守恒定律,在单位时间内流过两通流截面的液体质量相等。即上式称为连续性方程结论:1)通过流管任一通流截面的流量相等;2)液体的流速与管道通流截面积成反比;3)在具有分支的管路中具有q=q1+q2的关系。或第23页/共66页2.3.3 2.3.3 伯努利方程(1)理想液体的伯努利方程理想液体的伯努利方程根据能量守恒定律得到理想液体的伯努利方程为:根据能量守恒定律得到理想液体的伯努利方程为:伯努利方程是能量守恒定律在流体力学中的一种表达形式。伯努利方程是能量守恒定律在流体力学中的一种表达形式。或或通流截面上三者之和为一定值,但三者
17、可以相互转换,即能量守恒。通流截面上三者之和为一定值,但三者可以相互转换,即能量守恒。理想液体的伯努利方程的物理意义是:理想液体的伯努利方程的物理意义是:在管内作定常流动的理想液体的总比能在管内作定常流动的理想液体的总比能由比位能由比位能、比压能、比压能和比动能和比动能三种形式的能量组成,三种形式的能量组成,在任一在任一式中Z为单位重量液体所具有的势能,称为比位能。(p/g)为单位重量液体所具有的压力能,称为比压能。(v2/2g)为单位重量液体所具有的动能,称为比动能。它们的量纲都为长度。第24页/共66页(2)实际液体的伯努利方程实际液体的伯努利方程其中,为单位质量液体在管路两截面之间流动的
18、能量损失;为动能修正系数,的数值与管路中液体的流态有关,液体在圆管中层流时,紊流时,实际计算时常取 实际液体具有粘性,因此液体在流动时还需克服由于粘性所引起的摩擦阻力,这必然要消耗能量,假定因粘性而消耗的能量为h hw w,则实际液体的伯努利方程为:第25页/共66页应用伯努利方程时必须注意的问题:1)截面1、2需顺流向选取(否则hw为负),且应选在缓变的通流截面上(使v=0)。2)截面中心在基准面以上时,z取正值;反之取负值。通常选取特殊位置的水平面作为基准面(使z=0)。例21第26页/共66页2.3.4 2.3.4 动量方程动量方程是动量方程是动量定理动量定理在流体力学中的一种表达形式。
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